Persönliche Gesundheit

Visuelle Neuronen nicht so funktioniert wie Sie dachten Wissenschaftler, Studie findet

Eine neue Umfrage der Aktivität von fast 60.000 Neuronen der Maus visuellen system zeigt, wie weit wir zu gehen haben, um zu verstehen, wie das Gehirn berechnet. Heute veröffentlicht in der internationalen Fachzeitschrift Nature Neuroscience, die Analyse führte Forscher am Allen Institute zeigt, dass mehr als 90% der Neuronen im visuellen Kortex, dem Teil des Gehirns, der Prozesse unserer visuellen Welt, nicht so funktionieren, wie Wissenschaftler gedacht—und es ist noch nicht klar, wie Sie funktionieren.

„Wir dachten, es sind einfache Grundsätze, nach denen diese Neuronen verarbeiten die visuellen Informationen, und diese Grundsätze sind in allen Lehrbüchern“, sagt Christof Koch, Ph. D., Chief Scientist und Präsident des Allen Institute for Brain Science, einer Abteilung des Allen Institute, und co-senior-Autor auf der Studie zusammen mit R. Clay Reid, M. D., Ph. D., Senior Investigator am Allen Institute for Brain Science. „Aber nun, wir können die Umfrage zig Tausende von Zellen auf einmal, wir bekommen eine subtilere—und viel komplizierter—Bild.“

Vor fast 60 Jahren, zwei Neurowissenschaftler David Hubel und Torsten Wiesel, bahnbrechende Entdeckungen darüber, wie Säugetiere “ Gehirn wahrnehmen, die visuelle Welt um uns herum. Ihre Arbeit aufgedeckt einzelnen Neuronen, die schalten nur als Reaktion auf sehr spezifische Arten von Bildern.

Hubel und Wiesel machten Ihre Entdeckungen, indem Sie zeigen einfache Bilder—Dinge, die wie ein schwarzer Balken oder Punkt auf einem weißen hintergrund—an Katzen und Affen. Der Allgemeine Grundsatz, entdeckten Sie sagt, dass Sie die Welt um Sie herum, bestimmte Neuronen im Gehirn sind verantwortlich für das erkennen von genauen Teile in einer bestimmten region der Szene und die Anerkennung bekommt mehr specialized und fein abgestimmt in übergeordnete Teile des Gehirns.

Sagen, du bist in einem park: Eine Gruppe von Neuronen feuern, die einen schnellen elektrischen Antwort zu einem dunklen ast, der präzise Punkt in Ihrem Blickfeld. Andere Neuronen schalten, nur wenn ein Vogel fliegt über das Sichtfeld von Links nach rechts. Ihr Gehirn würde dann Nähen Sie zusammen, Informationen aus dem „Struktur-Zweig“ Neuronen und die „moving bird“ Neuronen, um sich ein vollständiges Bild von der Welt um Sie herum, oder so geht die Theorie.

Hubel und Wiesel Erkenntnisse wurden anerkannt durch den Nobelpreis in Physiologie oder Medizin und bildete das Rückgrat der neuronale Netzwerke zugrunde liegen, dass die meisten computer-vision-Anwendungen. In den letzten zehn Jahren, mit dem Aufkommen der neuen neurowissenschaftlichen Methoden, die es ermöglichen, die Untersuchung von mehr und mehr Gehirnzellen auf einmal, haben Wissenschaftler kommen, um zu verstehen, dass dieses Modell, wie unser Gehirn sehen, ist wahrscheinlich nicht die ganze Geschichte—einige Neuronen klar, Folgen nicht dem klassischen Modell von tuning-in bestimmten Funktionen.

Aber es war nicht klar, wie unvollständig die Geschichte war.

Die Aktivität des Gehirns-Variabilität

Die neue Studie ist die erste groß angelegte Analyse der öffentlich verfügbaren Daten aus dem Allen Brain Observatory, einer breit angelegten Befragung erfasst die Aktivität von Zehntausenden von Nervenzellen in der Maus visuellen system. Die Forscher analysierten die Aktivität von fast 60.000 verschiedene Neuronen in den visuellen teilen des Kortex, die äußerste Schale des Gehirns, wie Tiere sehen, verschiedene einfache Bilder, Fotos und kurze Videoclips, einschließlich der Eröffnung Schuss von der klassischen Orson Welles Film „Touch of Evil“ (ausgewählt weil es eine Menge Bewegung und ist ein single-shot mit keine Schnitte).

1950er-und 60er-neurowissenschaftlichen Studien, durch die Notwendigkeit, wurden wie “ fishing-expeditions—Forscher gejagt durch das Gehirn mit einer einzelnen Elektrode, bis Sie gefunden, ein neuron, das zuverlässig reagiert auf ein bestimmtes Bild. Es ist ähnlich wie zu versuchen, sehen Sie ein Breitbild-Film durch ein paar vereinzelte Nadelstiche, Koch gesagt—, wäre es unmöglich, sich ein vollständiges Bild. Der Allen Brain Observatory Datensatz erfasst nicht die Aktivität jeder Nervenzelle in jedem Szenario, aber es Forschern ermöglicht, zu studieren, mehr Neuronen auf einmal, einschließlich derjenigen, die mit mehr subtilen Reaktionen.

Die Forscher, die neue Analyse ergab, dass weniger als 10% der 60.000 Neuronen reagierten nach dem lehrbuch-Modell. Der rest, etwa zwei Drittel zeigten einige zuverlässige Antwort, aber Ihre Reaktionen waren mehr spezialisiert als die klassischen Modelle Vorhersagen. Das Letzte Drittel der Neuronen zeigten einige Aktivitäten, aber Sie nicht Leuchten zuverlässig an jedes der stimuli im experiment—es ist nicht klar, was diese Neuronen tun, sagte der Forscher.

„Es ist nicht so, dass die bisherigen Studien waren alle ein großer Fehler, es ist nur, dass diese Zellen einen sehr kleinen Bruchteil aller Neuronen in der Hirnrinde“, sagt Saskia de Vries, Ph. D., Assistant Investigator am Allen Institute for Brain Science, der die Studie leitete zusammen mit Jérôme Lecoq, Ph. D., und Michael Buice, Ph. D. „Es stellt sich heraus, dass die mouse visual cortex ist viel komplexer und reicher ist, als wir bisher dachten, das unterstreicht den Wert der zu tun, diese Art von Umfrage.“

Dass diese variable, weniger spezifische Neuronen existieren, ist keine Neuigkeit. Aber es war eine überraschung, die Sie Dominieren die sichtbaren Teile des Maus-Gehirns, die Forscher sagte.

Wie das Gehirn berechnet

Es ist noch nicht klar, wie diese anderen Neuronen beitragen, um die Verarbeitung visueller Informationen. Andere Forschungsgruppen haben gesehen, dass die Fortbewegung kann fahren neuron Aktivität im visuellen Teil des Gehirns, aber ob die Mäuse, die ausgeführt wurden, oder immer noch nur erklärt, einen kleinen Teil der Variabilität in der visuellen Antworten, fanden die Forscher.

Ihre nächsten Schritte führen sollen ähnliche Experimente mit natürlicher Filme, bietet die Neuronen, die eine größere Anzahl von visuellen features, um zu reagieren. Buice, hat einen 10-Stunden-specialized Roller von clips aus so ziemlich jedem Tier, das er bekommen konnte, seine Hände auf.

Die Forscher weisen auch darauf hin, dass das klassische Modell kam aus Studien an Katzen und Primaten, Tiere, die sowohl entwickelt, um Ihre Welten in schärferen Fokus in der Mitte den Blick, als dies bei Mäusen. Es ist möglich, dass die Maus vision ist einfach ein völlig anderes Ballspiel als bei uns. Aber noch gibt es Prinzipien, die aus diesen Studien, die möglicherweise für unsere eigenen Gehirne, sagte Buice, Associate Investigator am Allen Institute for Brain Science.